高强度人类活动限制青藏高原东南部超高海拔土壤微生物群落扩散及关键类群分布

本文探讨了人类活动强度对青藏高原东南部超高海拔地区土壤微生物群落构建及关键类群（keystone taxa）的影响。研究发现人类活动通过改变土壤氮（TN）、磷（TP）含量影响微生物多样性，增强扩散限制（DL），降低关键类群丰度，从而削弱微生物网络稳定性，为高海拔脆弱生态系统的保护提供了重要理论依据。

　　

引言

青藏高原作为全球生物多样性热点区域，其极端气候条件与生态敏感性使其成为研究生态系统响应干扰的天然实验室。近年来，东南藏区人类活动（如放牧、旅游及基础设施建设）加剧，导致生境破碎化与土壤退化，尽管已有政策干预，但其对超高海拔地区土壤微生物群落的具体影响机制尚不明确。土壤微生物在养分循环、环境修复及维持生态系统稳定性中扮演关键角色，然而人类活动强度梯度对微生物群落构建过程及关键类群分布的影响仍属研究空白。

材料与方法

研究于2024年10月3日沿G318国道自工布江达县至八一镇200公里样带开展，共选取11个采样区（1公里×1公里），依据人类足迹指数（Human Footprint Index, HFI）划分为米拉山（ML）、超高海拔乡村（UHC）及中高海拔乡村（MHC）三类区域。每区域设3个10米×10米样方，采集0-20厘米表层土壤样品。土壤化学性质（pH、TK、TP、SOC、TN、AP、AN、AK）依标准方法测定。微生物DNA提取后，分别扩增细菌16S rRNA基因（引物338F/806R）和真菌ITS区域（引物ITS1F/ITS2R），于Illumina平台测序。数据经QIIME2处理，ASV（Amplicon Sequence Variant）聚类与分类依Silva（细菌）和UNITE（真菌）数据库完成。群落构建过程通过R包“iCAMP”分析，包括确定性过程［异质选择（HeS）、同质选择（HoS）］与随机性过程［扩散限制（DL）、同质扩散（HD）、漂变（DR）］。共现网络分析通过“igraph”与“Hmisc”完成，关键类群（keystone taxa）筛选基于节点度、变量重要性投影（VIP>1）、平均下降精度（MDA）前1%及>60%出现率。统计分析与可视化使用SPSS、R及GraphPad Prism完成。

结果

人类活动强度与土壤化学性质

MHC区域人类活动强度最高（HFI=14.77），UHC最低（HFI=9.88），ML居中（HFI=12.55）。人类活动直接增加土壤AN（r=0.50）但降低AP（r=?0.46），海拔降低AK（r=?0.70）。三区域土壤均为酸性（pH≈6.4），ML的SOC最低（38.10克/千克），UHC的AN最低（281.16毫克/千克）但AK（308.98毫克/千克）与AP（476.87毫克/千克）最高。

微生物基本信息

细菌群落以变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）等为主（相对丰度>77%），真菌以子囊菌门（Ascomycota）与担子菌门（Basidiomycota）为主（>83%）。细菌丰富度（Sobs）与多样性（Shannon指数）高于真菌，且区域间差异显著。人类活动通过改变土壤性质间接影响细菌α多样性（磷对Sobs, r=?0.41；对Shannon, r=?0.37；氮对Shannon, r=0.37）。PCoA显示三区域微生物群落结构显著差异（ANOSIM R细菌=0.2741, 真菌=0.3246; p<0.001）。

群落构建过程分析

随机过程主导微生物群落构建（细菌>71%, 真菌>94%）。细菌中漂变（DR, 37-45%）重要性高于扩散限制（DL, 27-34%），真菌中DL（52-67%）高于DR（27-42%）。人类活动显著增强DL（与HFI正相关, p<0.0001）并降低DR。MHC的细菌HeS及真菌HoS较高，DL显著高于UHC与ML（p<0.05），而DR呈相反趋势。海拔变化呈现非线性（如马蹄形）影响模式。

共现网络分析与关键类群筛选

细菌网络中MHC节点（760）与边（16934）最多但模块性最低（0.5530），UHC节点最多（1026）但边较少（9665），ML模块性最高（0.9277）。真菌网络中UHC节点（328）与边（1196）最多，MHC模块性最低（0.6797）。整体网络（ALL组）中真菌具更高密度（0.0634）与聚类系数（0.4859）。人类活动增加网络复杂性但降低稳定性。关键类群（如Sphingomonas ASV5069、Gaiella ASV2170）在MHC丰度显著降低（p<0.05），且与HFI、DL负相关（p<0.05），与DR、真菌HoS正相关。

群落构建过程影响因素

方差分解（VPA）显示海拔对构建过程解释度最高（细菌44.05%, 真菌64.29%），HFI（细菌33.84%, 真菌18.92%）与关键类群（细菌34.04%, 真菌74.85%）亦贡献显著。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）证实人类活动直接促进细菌DL（r=0.399, p<0.05），并通过减少关键类群（r=?0.282, p<0.05）间接增强真菌DL（r=?0.458, p<0.01）。海拔总体促进微生物扩散，但人类活动抵消此效应。

讨论

人类活动对超高海拔区域微生物群落结构的影响

人类活动（如放牧、耕作）通过改变土壤氮磷含量直接影响微生物多样性，其中细菌因体型小、适应性强而在扰动下更具韧性，真菌菌丝网络则易受破坏导致丰度下降。活动增加生境异质性，促进微生物β多样性，但网络复杂性增加伴随模块性降低，暗示系统稳定性下降。与低海拔urban区域不同，高海拔以农业活动为主，污染较轻，故确定性过程影响较弱。微生物组成与多样性无海拔线性趋势，主要受土壤属性而非海拔本身驱动。

人类活动对群落构建过程及关键类群的影响

随机过程主导构建，与高环境异质性及较弱环境过滤一致。人类活动增强扩散限制（DL），尤其对体型较大的真菌更显著，机制包括破坏菌丝网络、改变土壤性质及增加空间隔离。关键类群（如Sphingomonas、Gaiella）作为微生物互作与扩散的桥梁，其丰度在人类活动区（MHC）下降，加剧DL并削弱网络韧性。功能冗余或可维持部分功能，但过度冗余可能降低群落恢复力。超高海拔生态系统恢复力弱、功能冗余低，使人类活动影响尤为突出。

结论

人类活动显著改变青藏高原东南部超高海拔地区土壤养分（如提升AN、降低AP），进而影响微生物多样性及构建过程。活动增强扩散限制（DL），降低关键类群丰度，削弱微生物网络稳定性。海拔虽促进扩散，但人类活动直接（如生境破碎）与间接（减少关键类群）抵消此效应。关键类群减少指示生态系统不稳定，强调其在生态评估与保护中的价值。保护措施应聚焦减少人为养分输入与保护关键类群，以增强高海拔脆弱生态系统的韧性。